选修35原子原子核复习.docx
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选修35原子原子核复习
高中物理选修3-5知识点梳理
一.原子核式结构模型
1、电子的发现汤姆孙研究了阴级射线在电场和磁场中的偏转，确认射线是带负电的粒子，并测定计算出这种带电粒子的比荷（带电粒子的电荷量与其质量之比，即q/m，又称荷质比）。
汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的气体做实验，所得比荷的数值是相同的。
这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。
后来这种粒子被称为电子。
电子电荷的测定
电子电荷的精确测定是1910年由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。
电子电荷的现代值为：
e=1.60217733（49）×10-19C，通常取e=1.60×10-19C。
密立根实验更重要的发现是：
电荷是量子化的，即任何电荷只能是e 的整数倍。
从实验测得的比荷及e的数值，可以确定电子的质量me=9.1093897×10-31kg。
质子质量和电子质量的比值mp/me=1836
2、粒子散射实验和原子核结构模型⑴粒子散射实验：
1909年，卢瑟福及助手盖革和马斯顿完成的.
现象：
a.绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。
b.有少数粒子发生较大角度的偏转
c.有极少数粒子的偏转角超过了90°，有的几乎达到180°，即被反向弹回。
3、1911年，卢瑟福通过对粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：
在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。
二、光谱
（1）光谱：
用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录，即光谱。
用摄谱仪可以得到光谱的照片。
有些光谱是一条条的亮线，我们把它们叫做谱线，这样的光谱叫做线状谱。
有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带，我们把它们叫做连续谱。
（2）发射光谱：
物体发光直接产生的光谱叫发射光谱。
其中由炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱为连续光谱，它是由连续分布的一切波长的光组成的；由稀薄气体或金属蒸气发光产生的光谱为明线光谱，又称原子光谱，是由一些不连续的亮线组成的。
各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。
不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线。
（3）吸收光谱：
高温物体发出的白光通过某种物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。
其表现为在连续谱的背景上出现一些暗线，且同种元素的吸收光谱中暗线的位置与明线光谱中的明线是一一对应的。
因此吸收光谱和明线光谱都属于元素的特征光谱。
（4）光谱分析：
既然每种原子都有自己的特征谱线，所以我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。
这种方法称为光谱分析。
它的优点是灵敏度高。
（5）1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：
n=3，4，5，…
三.原子的能级
1.玻尔的计算结果可以概括为两个公式：
电子的轨道半径公式（可能）：
rn=r1/n2
能量公式（可能）：
En=E1/n2n=1,2,3……
式中r1代表第一条（即离核最近的一条）可能轨道的半径。
E1代表电子在第一条（即离核最近的一条）可能轨道上运动时的能量。
n是量子数。
r1=0.53×10-10mE1=-13.6ev,（E∞=0,电子的动能等于电势能绝对值的一半） 为原子的最低能级，电子在离核较远的轨道上运动，n=2、3、4原子能量分别为E2、E3、E4、„
2.玻尔理论
①定态假设：
原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。
②跃迁假设：
原子从一个定态（设能量为Em）跃迁到另一定态（设能量为En）时，它辐射成吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hv=Em－En
③轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。
原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。
注：
能级之间发生跃迁时放出（吸收）光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．
一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为（n－1）．
一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法：
①用数学中的组合知识求解：
N＝C
＝n（n-1）/2.
②利用能级图求解：
在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加．
3.电子的能量问题：
（1）原子能量：
En＝Ekn＋Epn＝
，随n（r）增大而增大，其中E1＝－13.6eV.
（2）电子动能：
电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力，即k
＝m
，所以Ekn＝
k
，随n（r）增大而减小．
（3）电势能：
通过库仑力做功判断电势能的增减．当n减小，即轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，n增大，即轨道半径增大时，电势能增加．
4.原子跃迁的条件
（1）原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．
（2）当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．
（3）原子还可吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发．由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值（E＝Em－En），均可使原子发生能级跃迁．
四.原子核的组成
1、天然放射现象
⑴天然放射现象的发现：
1896年法国物理学，贝克勒尔发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。
（证明原子核可以再分）这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。
射线种类
射线组成
性质
电离作用
贯穿能力
射线
氦核组成的粒子流
很强
很弱
射线
高速电子流
较强
较强
射线
高频光子
很弱
很强
2、原子核的组成
原子核的组成：
原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子
在原子核中有：
质子数等于电荷数、核子数等于质量数、中子数等于质量数减电荷数
五、原子核的衰变
⑴衰变：
原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变在原子核的衰变过程中，电荷数和质量数守恒
衰变类型
衰变方程
衰变规律
衰变
新核
衰变
新核
在
衰变中新核质子数多一个，而质量数不变是由于反映中有一个中子变为一个质子和一个电子，即：
.
辐射伴随着
衰变和
衰变产生，这时放射性物质发出的射线中就会同时具有
、
和
三种射线。
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
（2）确定衰变次数的方法
因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．
（3）半衰期
公式：
N余＝N原
t/τ，m余＝m原
t/τ
影响因素：
放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态（如温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关．
六、核力、结合能、质量亏损、核反应
1．核力
（1）定义：
原子核内部，核子间所特有的相互作用力．
（2）特点：
①核力是强相互作用的一种表现；
②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；
③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用．
2．核能
（1）结合能
核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能．
（2）比结合能
①定义：
原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能．
②特点：
不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．
3．质能方程、质量亏损
爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2.
4．获得核能的途径：
（1）重核裂变；
（2）轻核聚变．
5．核反应
（1）遵守的规律：
电荷数守恒、质量数守恒．
（2）反应类型：
衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变．
七、核反应方程（不用背公式，能判断反应类型就可以。
）
⑴卢瑟福用α粒子轰击氦核打出质子：
⑵贝克勒耳和居里夫人发现天然放射现象：
α衰变：
β衰变：
⑶查德威克用α粒子轰击铍核打出中子：
⑷居里夫人发现正电子：
⑸轻核聚变：
⑹重核裂变：
熟记一些粒子的符号
α粒子（
）、质子（
）、中子（
）、电子（
）、氘核（
）、氚核（
）
3.注意在核反应方程式中，质量数和电荷数是守恒的。
八、重核裂变核聚变
释放核能的途径——裂变和聚变
⑴裂变反应：
①裂变：
重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。
例如：
②链式反应：
在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。
链式反应的条件：
临界体积，临界质量，极高的温度.
③
裂变时平均每个核子放能约200Mev能量
1kg
全部裂变放出的能量相当于2800吨煤完全燃烧放出能量！
⑵聚变反应：
①聚变反应：
轻的原子核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。
例如：
②一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放出17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量3MeV以上。
比列变反应中平均每个核子放出的能量大3~4倍。
③聚变反应的条件；几百万摄氏度的高温。
九、光电效应
1、光电效应
⑴光电效应在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。
⑵光电效应的实验规律：
装置：
如右图。
①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于极限频率的光不能发生光电效应。
②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。
③大于极限频率的光照射金属时，光电流强度（反映单位时间发射出的光电子数的多少），与入射光强度成正比。
④金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9秒。
2、光子说
⑴量子论：
1900年德国物理学家普朗克提出：
电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量
.
⑵光子论：
1905年爱因斯坦提出：
空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比。
即：
.（其中
是电磁波的频率，h为普朗克恒量：
h=6.63×10－34
3、光子论对光电效应的解释
金属中的自由电子，获得光子后其动能增大，当功能大于脱出功时，电子即可脱离金属表面，入射光的频率越大，光子能量越大，电子获得的能量才能越大，飞出时最大初功能也越大。
4．光电效应方程：
Ek＝hν－W0
hν：
光电子的能量．
W0：
逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功．
Ek：
光电子的最大初动能．
图象分析
图象名称
图线形状
由图线直接（间接）
得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率：
ν0
②逸出功：
W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：
图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止（极限）频率：
ν0
②遏止电压Uc：
随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量：
h＝ke（k为斜率，e为电子电量）
频率相同、光强不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压：
Uc
②饱和光电流：
Im（电流的最大值）
③最大初动能：
Ekm＝eUc
频率不同、光强相同时，光电流与电压的关系
①遏止电压：
Uc1、Uc2
②饱和光电流：
电流最大值
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
5.光的波粒二象性与物质波
1．光的波粒二象性
（1）光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．
（2）光电效应说明光具有粒子性．
（3）光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．
2．物质波
（1）概率波：
光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波．
（2）物质波（德布罗意波）：
任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝
，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．
典型例题
1.氢原子辐射出一个光子后，则（）
A．电子绕核旋转半径增大B．电子的动能增大
C．氢原子的电势能增大D．原子的能级值增大
2．氢原子从能级A跃迁到能级B，吸收频率v1的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率v2的光子，若v2＞v1则当它从能级C跃迁到能级B将（）
A．放出频率为v2-v1的光子
B．放出频率为v2+v1的光子
C．吸收频率为v2-v1的光子
D．吸收频率为v2+v1的光子
3．用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。
停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：
①hν1；②hν3；③h（ν1+ν2）；④h（ν1+ν2+ν3）
以上表示式中（）
A．只有①③正确B．只有②正确
C．只有②③正确D．只有④正确
4,氢原子从能量为E1的较高激发态跃迁到能量为E2的较低激发态，设真空中的光速为c，则
A．吸收光子的波长为
B．辐射光子的波长为
C．吸收光子的波长为
D．辐射光子的波长为
5.氢原子能级如图，当氢原子从n=3跃迁到n=2的能级时，辐射光的波长为656nm。
以下判断正确的是。
（双选，填正确答案标号）
a．氢原子从n=2跃迁到n=1的能级时，辐射光的波长大于656nm
b．用波长为325nm的光照射，可使氢原子从n=1跃迁到n=2能级
c．一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
d．用波长为633nm的光照射，不能使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级
6.氢原子第n能级的能量为En=E1/n2，其中E1为基态能量．当氢原子由第5能级跃迁到第3能级时，发出光子的频率为γ1；若氢原子由第3能级跃迁到基态，发出光子的频率为γ2，则γ1/γ2=______．
7.已知氢原子的基态能量为E,激发态能量En=E1/n^2,其中n=2,3…。
用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速。
能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为？
8.原子核23290Th具有天然放射性，它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核．下列原子核中，有三种是23290Th衰变过程中可以产生的，它们是（）
A.20482PbB.20382PbC.21684PoD.22488RaE.22688Ra
9.碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有（）
A．m/4B．m/8C．m/16D．m/32
10.在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出
A．该金属的极限频率和极限波长
B．普朗克常量
C．该金属的逸出功
D．单位时间逸出的光电子数
11.不同频率的紫外光分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能Ek随入射光频率v变化的Ek—v图象．已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.34eV，若将二者的图线画在同一个坐标中，以实线表示钨、虚线表示锌，能正确反映这一过程的选项是
课后练习
1．氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n=4的能级向n=2的能级跃迁时辐射处可见光a，从n=3的能级向n=2的能级跃迁时辐射处可见光b，则（）
A．a光的光子能量大于b光的光子能量
B．氢原子从n=4的能级向n=3的能级跃迁时会辐射出紫外线
C．处于能级n=4的电子的动能小于能级n=2的动能
D．在真空中传播时，b光的波长较短
E．处在n=1能级时核外电子离原子核最近
2．下列说法正确的是
A．发生光电效应时，入射光的光强一定，频率越高，逸出的光电子的最大初动能就越大
B．卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型
C．一群氢原子从n＝3的激发态跃迁到基态时，能辐射3种不同频率的光子
D．比结合能越大，原子核越不稳定
3．下列说法正确的是
A．原子的发射光谱都是线状谱,且不同原子特征谱线不同
B．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
C．太阳辐射的能量主要来源于重核裂变
D．原子核的比结合能越大表示该原子核越稳定
E．某单色光照射一金属时不发生光电效应,改用波长更短的光照射可能发生光电效应
4．（单选）如图所示为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n=4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同颜色的光．关于这些光下列说法正确的是（）
A．由n=4能级跃迁到n=1能级产生的光子波长最长
B．由n=2能级跃迁到n=1能级产生的光子频率最小
C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光
D．用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为6．34eV的金属铂能发生光电效应
5．以下说法中正确的有。
A．氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，原子的能量减小
B．核力存在于原子核内所有核子之间
C．原子核式结构模型是由卢瑟福在
粒子散射实验基础上提出的
D．铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化
E．放射性元素发生
衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的
6．下列几幅图的有关说法中正确的是（）
A．原子中的电子绕原子核高速运转时，运行轨道的半径是任意的
B．少数α粒子发生了较大偏转，是由于原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C．光电效应实验说明了光具有粒子性
D．射线甲由α粒子组成，每个粒子带两个单位正电荷
E．链式反应属于重核的裂变
7．下列说法正确的是________
A．为了解释光电效应现象，爱因斯坦建立了光子说，指出在光电效应现象中，光电子的最大初动能与照射光的频率成线性关系
B．汤姆逊通过阴极射线在电场和在磁场中的偏转实验发现了阴极射线是由带负电的粒子组成，并测出了该粒子的比荷
C．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子的能量也减小了
D．
经过6次α衰变和4次衰变后成为稳定的原子核
E．
在中子轰击下生成
和
的过程中，原子核中的平均核子质量变大
8．氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子，已知基态的氦离子能量为E1=-54．4eV，氦离子的能级示意图如图所示．在具有下列能量的光子或者电子中，能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是
A．42．8eV（光子）B．43．2eV（电子）
C．41．0eV（电子）D．54．4eV（光子）
9．下列说法正确的是
A．氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子
B．原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律
C．发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关
D．α射线、β射线、γ射线都是高速运动的带电粒子流
10．以下是有关近代物理内容的若干叙述：
其中正确的有______________。
A．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
B．太阳内部发生的核反应是热核反应
C．紫外线照射到金属锌板表面时能产生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大
D．原子核式结构模型是由汤姆逊在α粒子散射实验基础上提出的
E．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象
11．下列说法正确的是（）
A．图甲中，当弧光灯发出的光照射到锌板上时，与锌板相连的验电器铝箔有张角，证明光具有粒子性
B．如图乙所示为某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率v的关系图象，当入射光的频率为2v0时，产生的光电子的最大初动能为E
C．图丙中，用从n=2能级跃迁到n=l能级辐射出的光照射逸出功为6.34eV的金属铂，不能发生光电效应
D．丁图中由原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系可知，若D和E能结合成F，结合过程一定会释放能量
E．图戊是放射性元素发出的射线在磁场中偏转示意图，射线c是β粒子流，它产生的机理是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
12．在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。
下列说法符合历史事实的是
A．密立根通过油滴实验测得了基本电荷的数值
B．贝克勒尔通过对天然放射性现象的研究，发现了原子中存在原子核
C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（P0）和镭（Ra）两种新元素
D．卢瑟福通过а粒子散射实验，证实了在原子核内存在质子
E．汤姆孙通过阴极射线在电场和在磁场中的偏转实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成，并测出了该粒子的比荷
13．下列核反应方程中，属于裂变的是
A．
B．
C．
D．
14．我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有：
（1）
n
Sr
Xe
n
（2）
He
n
关于这两个方程的下列说法，正确的是（）
A．方程
（1）中k＝10，方程
（2）中d＝1B．方程
（2）是氢弹涉及的核反应方程
C．方程
（1）属于轻核聚变D．方程
（2）属于α衰变
15．天然放射现象中可产生α、β、γ三种射线．下列说法正确的是（）
A．β射线是由原子核外电子电离产生的B．
经过一次α衰变，变为
C．α射线的穿透能力比γ射线穿透能力强D．放射性元素的半衰期随温度升高而减小
16．“超导托卡马克”（英名称：
EAST，俗称“人造太阳”）是我国自行研制的可控热核反应实验装置。
设该实验反应前氘核（
）的质量为m1，氚核（
）的质量为m2，反应后氦核（
e）的质量为m3，中子（
）的质量为m4，光速为c。
下列说法中不正确的是
A．这种装置中发生的核反应方程式是
B．由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C．核反应放出的能量等于（m1+m2–m3–m4）c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同
17．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
;
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表，下列判断正确的是（）
A．X是
，Q2＞Q1B．X是
，Q2＞Q1C．X是
，Q2＜Q1D．X是
，Q2＜Q1
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